一種磁阻懸浮離心式裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于生物醫(yī)學工程【技術領域】，涉及一種人工心臟輔助裝置，尤其是一種磁阻懸浮離心式裝置。所述裝置包括磁懸浮定子（1），磁懸浮轉子（2），間隙（3）三部分，左徑向磁化永磁陣列（11）和右徑向磁化永磁陣列（14）均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子（1）內壁左右兩側，左線圈繞組（12）和右線圈繞組（13），位于磁懸浮定子（1）內側居中位置，左徑向磁化永磁環(huán)（21）和右徑向磁化永磁環(huán)（23）固定在轉軸（20）的左右兩側，電機轉子鐵芯葉片（22）固定在轉軸（20）的中間，呈彎齒狀，由硅鋼片疊加而成。它有效解決了第三代人工心臟輔助裝置體積大、功耗高的問題，具有結構簡單、控制靈活、可靠性高等優(yōu)點。
【專利說明】
一種磁阻懸浮罔心式裝置

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于生物醫(yī)學工程【技術領域】，涉及一種人工心臟輔助裝置，尤其是一種磁阻懸浮離心式裝置。

【背景技術】
[0002]心臟是人體血液循環(huán)的動力源，心血管疾病已成為醫(yī)學界關注的熱點，心臟移植是治療重危心臟病患者的重要途徑，然而心臟需求量遠遠超過了供給量，人工心臟輔助裝置產(chǎn)生了。第一代人工心臟輔助裝置利用機械或電磁驅動產(chǎn)生周期性的容積變化，模擬心臟的跳動，其體積大、結構復雜、壽命短；第二代人工心臟輔助裝置采用機械軸承支承高速旋轉的葉輪，因摩擦造成血液磨損、發(fā)熱，誘發(fā)溶血、血栓等問題，嚴重制約人工心臟的發(fā)展；第三代人工心臟輔助裝置采用非接觸磁懸浮技術，通過非接觸磁力的作用實現(xiàn)葉輪的旋轉，從而驅動血液流動，然而根據(jù)英國科學家的理論，全依靠永磁體是無法實現(xiàn)五自由度穩(wěn)定懸浮的，為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要進行電磁控制，因此這一代人工心臟輔助裝置基本包括:傳感器、控制器、電磁鐵、驅動葉輪，機械結構等，其體積偏大、發(fā)熱和能耗較聞。
[0003]采用磁懸浮控制技術，可以實現(xiàn)無接觸支承，完全取代機械式軸承，但如果僅僅是為了取代人工心臟輔助裝置中的機械軸承，加之電機部分，那么其體積是不可能小的，也就無法移入人體使用。隨著科學技術的發(fā)展和進步，小功率電機技術日益成熟，特別是開關磁阻電機具有結構簡單堅固，啟動電流小，效率高功耗小，可靠性高，調速性能優(yōu)異等優(yōu)點，弓丨起了人們的日益關注，已成功應用于電動車驅動系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)應用、伺服系統(tǒng)、高速驅動、航空航天等眾多領域，而無軸承開關磁阻電機也成為學術界研究的熱點之一。


【發(fā)明內容】

[0004]為了解決第三代人工心臟輔助裝置體積偏大、發(fā)熱和能耗較高、可靠性差的問題，綜合應用磁懸浮控制技術、無軸承開關磁阻電機技術，本發(fā)明提出一種磁阻懸浮離心式裝置，采用對稱分布的永磁結構，實現(xiàn)無接觸懸浮，降低了控制系統(tǒng)的功耗，具有體積小、結構簡單、使用使命長等優(yōu)點。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的:一種磁阻懸浮離心式裝置，所述裝置可置于人體中，包括磁懸浮定子，磁懸浮轉子，間隙，所述磁懸浮定子由定子外殼，左徑向磁化永磁陣列，左線圈繞組，右線圈繞組，右徑向磁化永磁陣列，液體輸入口，液體輸出口，凹形口，電機定子鐵芯組成，左徑向磁化永磁陣列和右徑向磁化永磁陣列均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子內壁左右兩側，左線圈繞組和右線圈繞組，纏繞在磁懸浮定子內側居中位置的電機定子鐵芯上，液體輸入口在磁懸浮定子左右兩側偏下位置，液體輸出口在磁懸浮定子上側居中位置，所述磁懸浮轉子由轉軸，左徑向磁化永磁環(huán)，電機轉子鐵芯葉片，右徑向磁化永磁環(huán)組成，左徑向磁化永磁環(huán)和右徑向磁化永磁環(huán)固定在轉軸的左右兩側，且相對于轉軸末端的距離可以調節(jié)，電機轉子鐵芯葉片固定在轉軸的中間，呈彎齒狀，由硅鋼片疊加而.。
[0006]作為本發(fā)明的一種改進，左徑向磁化永磁陣列，右徑向磁化永磁陣列，左徑向磁化永磁環(huán)，右徑向磁化永磁環(huán)均呈圓環(huán)形，均由一個徑向充磁的圓環(huán)構成或由多個長條狀的永磁體拼成圓環(huán)狀，所述左徑向磁化永磁陣列與左徑向磁化永磁環(huán)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述右徑向磁化永磁陣列與右徑向磁化永磁環(huán)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述排斥力的合力能實現(xiàn)磁懸浮轉子的五自由度非穩(wěn)定磁懸浮。
[0007]作為本發(fā)明的一種改進，左線圈繞組和右線圈繞組均包括懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組借助電磁吸引力，動態(tài)調節(jié)磁懸浮轉子的徑向位置，電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，在磁懸浮轉子上產(chǎn)生電磁旋轉力，實現(xiàn)對磁懸浮轉子的速度調節(jié)。
[0008]作為本發(fā)明的一種改進，電機轉子鐵芯葉片呈彎齒狀，電機定子鐵芯呈凸齒形，電機轉子鐵芯葉片和電機定子鐵芯對應的齒數(shù)為4/6齒，或6/8齒，或8/12齒，以轉軸為圓心，電機轉子鐵芯葉片與間隙接觸的表面平行于電機定子鐵芯與同一間隙接觸的表面，以通過較多的磁通量，在左線圈繞組和右線圈繞組控制下，電機轉子鐵芯葉片具有磁力懸浮、速度調節(jié)和血液驅動三項功能，結構簡單、體積小。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進，轉軸的兩端呈凸尖狀，在軸向調節(jié)失效情況下，頂在磁懸浮定子其中一側的凹形口里高速旋轉，可靠性高。
[0010]本發(fā)明的關鍵技術是低功耗下磁懸浮轉子的穩(wěn)定懸浮與速度調節(jié)問題。為了實現(xiàn)較低的系統(tǒng)功耗，必然要采用永磁體，永磁體之間的作用力減小控制電流的消耗，本發(fā)明采用了兩組對稱分布、結構尺寸和性能參數(shù)相當?shù)挠来怒h(huán)，實現(xiàn)了磁懸浮轉子軸向完全永磁懸浮、徑向半永磁懸浮的狀態(tài)，然而完全由永磁體構成的被動式磁力懸浮裝置是不可能獲得五自由度穩(wěn)定平衡的，當磁懸浮轉子位置發(fā)生徑向偏移后，線圈繞組中的懸浮力繞組產(chǎn)生電磁吸引力進行動態(tài)調節(jié)，同時線圈繞組中的電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，實現(xiàn)對磁懸浮轉子的速度調節(jié)，并依靠智能控制算法，完成磁懸浮轉子的位置估計、電磁轉矩和懸浮力的解耦控制。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)點是實現(xiàn)了電機轉子和驅動葉輪的統(tǒng)一，通過彎齒狀硅鋼片疊加而成的電機轉子鐵芯葉片可實現(xiàn)電磁懸浮、速度調節(jié)和血液驅動三項功能，其結構簡單，減小了人工心臟輔助裝置的體積，滿足植入人體的需求。采用對稱分布的永磁體結構克服磁懸浮轉子的自身重力，并抑制液體流動的軸向力，減小了線圈繞組中的電流消耗，系統(tǒng)功耗較低。本發(fā)明所示的磁阻懸浮離心式裝置，線圈繞組分為懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組產(chǎn)生徑向懸浮力，電磁力繞組產(chǎn)生電磁旋轉力，徑向懸浮力和電磁旋轉力由2個電流單獨控制。轉軸兩端呈凸尖狀，軸向調節(jié)失效時，頂在凹形口里高速旋轉，可靠性高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明一個實施例的結構示意圖。
[0013]圖2為本發(fā)明一個8/12齒實施例的八-八側視圖。
[0014]圖中:1磁懸浮定子,2磁懸浮轉子,3間隙，10定子外殼,11左徑向磁化永磁陣列，12左線圈繞組，13右線圈繞組，14右徑向磁化永磁陣列，15液體輸入口，16液體輸出口，17凹形口，18電機定子鐵芯，20轉軸，21左徑向磁化永磁環(huán)，22電機轉子鐵芯葉片，23右徑向磁化永磁環(huán)。

【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明主要由磁懸浮定子1，磁懸浮轉子2，間隙3組成，所述磁懸浮定子1包括:定子外殼10，左徑向磁化永磁陣列11，左線圈繞組12，右線圈繞組13，右徑向磁化永磁陣列14，液體輸入口 15，液體輸出口 16，凹形口 17，電機定子鐵芯18 ；所述磁懸浮轉子2包括:轉軸20，左徑向磁化永磁環(huán)21，電機轉子鐵芯葉片22，右徑向磁化永磁環(huán)23。液體輸入口 15在磁懸浮定子1左右兩側偏下位置，液體輸出口 16在磁懸浮定子1上側居中位置，液體通過液體輸入口 15進入磁懸浮裝置，經(jīng)電機轉子鐵芯葉片22的驅動，從液體輸出口 16流出磁懸浮裝置。
[0016]左徑向磁化永磁陣列11和右徑向磁化永磁陣列14均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子1的內壁左右兩側，由徑向充磁的釹鐵硼永磁材料制成，左線圈繞組12和右線圈繞組13，纏繞在磁懸浮定子1內側居中位置的電機定子鐵芯18上，分別包括懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組和電磁力繞組中的電流是獨立控制的，懸浮力繞組產(chǎn)生徑向電磁吸引力，動態(tài)調節(jié)磁懸浮轉子2的徑向位置，電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，產(chǎn)生電磁旋轉力，實現(xiàn)對磁懸浮轉子2的速度調節(jié)，從而調節(jié)人工心臟輔助裝置的輸出血壓和流量，滿足不同患者的需求。
[0017]左徑向磁化永磁環(huán)21和右徑向磁化永磁環(huán)23由徑向充磁的釹鐵硼永磁材料制成，套在轉軸20的左右兩側，且相對于轉軸20末端的距離可以調節(jié)，以調節(jié)永磁力作用力的大小。電機轉子鐵芯葉片22固定在轉軸20的中間，呈彎齒狀，由硅鋼片疊加而成，有驅動液體和導磁的作用，在左線圈繞組12和右線圈繞組13控制下，可實現(xiàn)磁力懸浮、速度調節(jié)和血液驅動三項功能，電機定子鐵芯18呈凸齒形，由硅鋼片疊加而成，嵌入在定子外殼10里，電機轉子鐵芯葉片22和電機定子鐵芯18對應的齒數(shù)為4/6齒，或6/8齒，或8/12齒。轉軸20的兩端呈凸尖狀，在軸向調節(jié)失效情況下，頂在磁懸浮定子1其中一側的凹形口 17里高速旋轉，其陀螺效應仍有助于實現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，提高了系統(tǒng)可靠性。
【權利要求】
1.一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:所述裝置可置于人體中，包括磁懸浮定子(I)，磁懸浮轉子(2)，間隙(3)，所述磁懸浮定子(I)由定子外殼(10)，左徑向磁化永磁陣列(II)，左線圈繞組(12)，右線圈繞組(13 )，右徑向磁化永磁陣列(14 )，液體輸入口( 15 )，液體輸出口(16)，凹形口(17)，電機定子鐵芯(18 )組成，左徑向磁化永磁陣列(11)和右徑向磁化永磁陣列(14)均呈圓環(huán)狀，嵌套在磁懸浮定子(I)內壁左右兩側，左線圈繞組(12)和右線圈繞組(13)，纏繞在磁懸浮定子(I)內側居中位置的電機定子鐵芯(18)上，液體輸入口( 15)在磁懸浮定子(I)左右兩側偏下位置,液體輸出口( 16)在磁懸浮定子(I)上側居中位置，所述磁懸浮轉子(2)由轉軸(20)，左徑向磁化永磁環(huán)(21)，電機轉子鐵芯葉片(22)，右徑向磁化永磁環(huán)(23)組成，左徑向磁化永磁環(huán)(21)和右徑向磁化永磁環(huán)(23)固定在轉軸(20)的左右兩側，且相對于轉軸(20)末端的距離可以調節(jié)，電機轉子鐵芯葉片(22)固定在轉軸(20 )的中間，呈彎齒狀。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:左徑向磁化永磁陣列(11 )，右徑向磁化永磁陣列(14 )，左徑向磁化永磁環(huán)(21 )，右徑向磁化永磁環(huán)(23 )均呈圓環(huán)形，均由一個徑向充磁的圓環(huán)構成或由多個長條狀的永磁體拼成圓環(huán)狀，所述左徑向磁化永磁陣列(11)與左徑向磁化永磁環(huán)(21)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述右徑向磁化永磁陣列(14)與右徑向磁化永磁環(huán)(23)產(chǎn)生軸向和徑向的排斥力，所述排斥力的合力能實現(xiàn)磁懸浮轉子(2)的五自由度非穩(wěn)定磁懸浮。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:左線圈繞組(12)和右線圈繞組(13)均包括懸浮力繞組和電磁力繞組兩部分，懸浮力繞組借助電磁吸引力，動態(tài)調節(jié)磁懸浮轉子(2)的徑向位置，電磁力繞組根據(jù)“磁阻最小原理”，在磁懸浮轉子(2)產(chǎn)生電磁旋轉力，實現(xiàn)對磁懸浮轉子(2)的速度調節(jié)。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:電機轉子鐵芯葉片(22)呈彎齒狀，電機定子鐵芯(18)呈凸齒形，電機轉子鐵芯葉片(22)和電機定子鐵芯(18)對應的齒數(shù)為4/6齒，或6/8齒，或8/12齒，以轉軸(20)為圓心，電機轉子鐵芯葉片(22)與間隙(3)接觸的表面平行于電機定子鐵芯(18)與同一間隙(3)接觸的表面，以通過較多的磁通量，在左線圈繞組(12)和右線圈繞組(13)控制下，電機轉子鐵芯葉片(22)具有磁力懸浮、速度調節(jié)和血液驅動三項功能。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種磁阻懸浮離心式裝置，其特征在于:轉軸(20)的兩端呈凸尖狀，在軸向調節(jié)失效情況下，頂在磁懸浮定子(I)其中一側的凹形口( 17)里高速旋轉，可靠性高。
【文檔編號】A61M1/12GK104307063SQ201410549526
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月17日 優(yōu)先權日:2014年10月17日
【發(fā)明者】孫傳余, 肖林京, 李波, 文藝成 申請人:山東科技大學